可靠性结构优化设计概述课件

主要内容•可靠性的概念•可靠性结构在国内外的发展史•结构设计的分化•基于可靠性的结构优化设计•可靠性的基本理论与方法一、可靠性问题提出1.产品质量含义不断扩充2.沉痛的教训需要产品可靠性3.经济发展的必然趋势5.产品责任的确定需要4.可靠性是产品质量的核心一、可靠性问题提出一、可靠性问题提出•定义：结构在规定的时间内，正常设计、正常施工、正常使用和维护的条件下，完成预定功能的能力为可靠性。包括安全性、适用性、耐久性和经济性。•两个要素：规定的时间预定功能二、可靠性的概念•规定时间:国际标准ISO2394：1998《结构可靠性总原则》中是指设计使用年限（designworkinglife），是一个设计规定的一个时期，在这时期内，只需进行正常的维护而不需进行大修就能按预期目的使用，完成预定的功能。结构设计使用年限类别设计使用年限示例15临时性结构225易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑结构可靠性的提出，以及一些相应工作的开展，机构的建立，最初是从电子产品，航空航天部门开始的。1952年，美国军事部门、工业部门和有关学术部门联合成立了电子设备可靠性咨询组（AGREE）。三、可靠性学科发展历史1957年，AGREE发表了著名的“军用电子设备的可靠性”报告，提出了在研制及生产过程中对产品的可靠性指标进行试验、验证和鉴定的方法，电子产品在生产、包装、储存和运输等方面要注意的问题及要求等。这个报告被公认为是电子产品可靠性理论和方法的奠基性文件。从此，可靠性学科逐渐发展成为一门独立的学科。公元前2250年，人类已经重视建筑物的安全。古巴比伦的法规中规定：如房屋倒塌，导致业主死亡，建造者应判处死刑；导致业主的儿子死亡，建造者的儿子应判处死刑；导致导致业主的奴隶死亡，建造者应以等量的奴隶赔偿；如导致财物损失，则建造者应予补偿，对倒塌房屋要由建造者重建，费用由建造者承担。四、可靠性工作在工程领域的开展情况•人类早期凭借实践经验，利用天然材料修建各种结构物；•工程力学的发展和钢铁等新材料的出现，19世纪起出现了半经验半理论的容许应力法,认为只要结构的应力不大于容许应力,结构既处于安全状态；•20世纪30年代，强调结构的破坏及材料的塑性性能与破坏强度有直接关系的破坏强度法得到重视和发展；随着统计数学在工程结构设计中的初步应用，容许应力法中荷载和材料性能的标准值等均为经统计理论处理后的量值，而且以结构的极限状态为依据，故称这种设计法为半概率半经验的极限状态法设计法，习惯上也称为容许应力法。五、可靠性研究的范畴及内容1.范畴（1）可靠性数学可靠性数学是可靠性研究的最重要的基础理论之一，它主要是研究与解决各种可靠性问题的数学方法和数学模型，研究可靠性的定量规律。（概率及数理统计，随机论，运畴学）（2）可靠性物理研究失效的物理原因与数学物理模型及检测方法与纠正措施的一门可靠性理论。（故障或失效物理）它是从本质上、从机理方面探究产品不可靠因素，从而为研制、生产高可靠性产品提供科学的依据。（3）可靠性工程对产品的失效现象及概率进行试验、分析、预测、控制的边缘性学科。可靠性工程包括了对结构、荷载等性能的可靠性数据的收集与分析、可靠性设计、预测、管理、控制和评价。①可靠性设计可靠性工程的一个重要分支，因为产品的可靠性在很大程度上取决于设计的正确性。②可靠性预测它是一种预报方法，在设计阶段即从所得的失效率数据预报零部件和系统实际可能达到的可靠度，预报这些零件、部件和系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。六、可靠性设计基本随机变量•自然界和社会上存在随机现象.•随机性数学（如概率论和数理统计、随机过程等）是研究随机性的近现代数学理论.•结构工程中，从结构的材料、施工和使用等方面看均存在不确定因素，结构可靠性理论以随机性数学为工具.基本随机变量的分类•作用:施加在结构上的直接作用（集中力或分布力）和引起结构外加变形或约束变形的间接作用，如结构的自重、车辆荷载、风荷载、雪荷载、土压力、水压力，以及温度作用、地震和地基的不均匀沉降等。•抗力:结构或构件承受作用效应的能力，称为抗力，如承载能力、刚度、抗裂等，而它们是根据构件的几何参数和材料性能这些具体的设计参数，通过计算得出。1.结构应满足的功能(1)在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用.(安全性)(2)在正常使用时，具有良好的工作性能.(适用性)(3)在正常维护下，具有足够的耐久性能.(耐久性)(4)在设计规定的偶然事件发生时和发生后，能保持必需的整体稳定性.(安全性)七、结构应满足的功能和极限状态极限状态和功能函数•极限状态:结构安全、适用、耐久和结构失效的界限.•工作状态:失效状态、可靠状态、极限状态.•功能函数:表示结构的工作状态的函数,用g(X)表示可靠状态〉极限状态＝失效状态000)(XgZ结构的工作状态X1Og(X)0失效域g(X)0g(X)=0可靠域极限状态X2功能函数举例PPL截面面积=A，抗拉强度=FRSFP/AFAP[△]PL/(EA)=0长细比容许长细比分类•承载能力极限状态（包括疲劳承载能力极限状态）•正常使用极限状态（包括疲劳正常使用极限状态）•破坏──安全极限状态当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态:•整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移等）；•结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包括疲劳破坏），或因过渡变形而不适于继续承载；•结构转变为机动体系；•结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：•影响正常使用或外观的变形；•影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；•影响正常使用的振动；•影响正常使用的其他特定状态。